WO2015121584A2 - Procede de fabrication d'un materiau fibreux pre-impregne de polymere thermoplastique en utilisant une dispersion aqueuse de polymere - Google Patents

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WO2015121584A2
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    • B29L2007/007—Narrow strips, e.g. ribbons, tapes, bands

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a fibrous material pre-impregnated with thermoplastic polymer.
  • the invention relates to a method of manufacturing a preimpregnated fibrous material comprising an impregnation step followed by a shaping step for obtaining ribbons of fibrous material pre- impregnated, of calibrated dimensions, directly usable for the manufacture of three-dimensional composite parts.
  • fibrous material means an assembly of reinforcing fibers. Before it is shaped, it is in the form of wicks. After shaping, it comes in the form of strips, or tablecloths, or pieces. When the reinforcing fibers are continuous, their assembly constitutes a fabric. When the fibers are short, their assembly constitutes a felt or a nonwoven.
  • the fibers that can be used in the composition of the fibrous material are more particularly carbon fibers, glass fibers, basalt fibers, silicon carbide fibers, polymer-based fibers, vegetable fibers, or cellulosic fibers used alone or as a mixture.
  • Such preimpregnated fibrous materials are particularly intended for the production of lightweight composite materials for the manufacture of mechanical parts having a three-dimensional structure and having properties of good mechanical strength, thermal and capable of discharging electrostatic charges. , that is to say properties compatible with the manufacture of parts in particular in the fields of mechanics, aeronautics and nautical, automotive, energy, health and medical, army and armaments, sports and recreation, and electronics.
  • Such preimpregnated fibrous materials are also called composite materials. They comprise the fibrous material, constituted by the reinforcing fibers, and a matrix constituted by the impregnating polymer.
  • the primary role of this matrix is to maintain the reinforcing fibers in a compact form and to give the desired shape to the final product.
  • Such a matrix serves inter alia to protect the reinforcing fibers against abrasion and an aggressive environment, to control the surface appearance and to disperse any fillers between the fibers.
  • the role of this matrix is important for the long-term behavior of the composite material, particularly with regard to fatigue and creep.
  • a good quality of the three-dimensional composite parts manufactured from preimpregnated fibrous materials therefore passes through a control on the one hand of the impregnating process of the reinforcing fibers by the thermoplastic polymer and on the other hand the process of shaping the preimpregnated fibrous material as a semi-finished product.
  • band is used to designate strips of fibrous material whose width is greater than or equal to 100mm.
  • ribbon is used to designate ribbons of calibrated width and less than or equal to 100 mm.
  • thermoplastic polymer or thermosetting polymer was carried out according to several processes which depend in particular on the nature of the polymer, the type of final composite material desired and its field of applications.
  • Powder deposition or extrusion technologies of molten polymer are used to impregnate the reinforcing fibers with thermosetting polymers, such as epoxy resins for example, as described in the patent WO2012 / 066241 A2.
  • thermosetting polymers such as epoxy resins for example
  • the melting temperature of the polymers depends in particular on their chemical nature. It can be relatively high for poly (methyl methacrylate) (PMMA) polymers, or even very high for poly (phenylene sulfide) (PPS), poly (ether ether ketone) (PEEK) or poly ( ether ketone ketone) (PEKK) for example.
  • PPS poly (methyl methacrylate)
  • PEEK poly (ether ether ketone)
  • PEKK poly (ether ketone ketone)
  • EP 0 406 067 filed in the joint names of Atochem and the French State, as well as document ⁇ 0 201 367 describe a technique for impregnating a fluidized bed of polymer powder.
  • the fibers enter a closed fluidization tank where they are optionally separated from each other by means of rollers or corrugated rolls, the fibers being electrostatically charged by friction in contact with these rollers or rolls. This electrostatic charge allows the polymer powder to stick to the surface of the fibers and thus to impregnate them.
  • Another known method of impregnation is the continuous passage of the fibers in an aqueous dispersion of polymeric powder.
  • a dispersion of powders of micrometric size about 20 ⁇ .
  • the fibers After soaking in the aqueous solution, the fibers are impregnated with the polymeric powder.
  • the process then involves a drying step of passing the impregnated fibers through a first furnace to evaporate the water absorbed during soaking.
  • a heat treatment step of passing the impregnated and dried fibers into a second heating zone at high temperature is then required to melt the polymer to adhere, disperse and coat the fibers.
  • the main disadvantage of this method is the homogeneity of the deposit which is often imperfect.
  • Another problem related to this process is the high porosity induced by the poor distribution of the polymer within the fibers, which may persist after the heat treatment step, thus causing the appearance of a large number of defects in the material.
  • fibrous prepreg The preimpregnated fibrous material then needs to be shaped into ribbons for example. The shaping technique can further deteriorate the material and weaken it even more because of the presence of these defects.
  • FR2973802 discloses a method of manufacturing a composite material based on fibers and a vinyl chloride polymer. The method consists firstly in immersing the fibers in a hydrosol bath consisting of an aqueous dispersion of polyvinyl chloride. The impregnated fibers are then dried to remove water, and the hydrosol is gelled to pass from a heterogeneous phase to a homogeneous phase, under the action of heat.
  • This document does not disclose impregnating a plurality of parallel fiber rovings simultaneously in an aqueous dispersion and forming them in unidirectional parallel ribbons by means of a multi-groove heating calender.
  • WO2008 / 051756 describes meanwhile an aqueous dispersion of thermoplastic polymer powder used to impregnate strands of fibers. Once impregnated the fibers are dried to remove the water and then they are transformed into granules or flakes. This document also does not disclose impregnating a plurality of simultaneous fiber strands simultaneously in an aqueous dispersion and forming them in unidirectional parallel ribbons by means of a multi-groove heating calender.
  • the quality of the pre-impregnated fibrous material ribbons depends not only on the homogeneity of the impregnation of the fibers and therefore the control and reproducibility of the porosity of the fibrous material. pre-impregnated, but also the size and more particularly the width and thickness of the ribbons. Regularity and control of these two dimensional parameters make it possible to improve the mechanical strength of the materials.
  • the rolls of webs not exceeding a length of about 1 km, the ribbons obtained after cutting are generally not long enough to make some large size materials during removal by robot.
  • the ribbons must therefore be roped to obtain a longer length, creating extra thicknesses. These extra thicknesses lead to the appearance of heterogeneities that are detrimental to obtaining good quality composite materials.
  • the splitting of webs for obtaining calibrated ribbons and the splicing of these ribbons induces an additional cost of manufacture. Slitting also generates significant dust problems that pollute the ribbons of pre-impregnated fibrous materials used for robot removal and can cause malfunctions of robots and / or imperfections on the composites. This potentially leads to robot repair costs, a shutdown of production and the scrapping of non-compliant products.
  • a not insignificant amount of fibers is deteriorated, inducing a loss of properties, and in particular a reduction of the mechanical strength and the conductivity, ribbons of preimpregnated fibrous material.
  • the invention therefore aims to remedy at least one of the disadvantages of the prior art.
  • the invention aims in particular to provide a method of manufacturing a preimpregnated fibrous material, combining an impregnation technique and a continuous shaping technique, in order to avoid any post-treatment step of the fibrous material, and obtaining a preimpregnated fibrous material having homogeneous fiber impregnation and controlled dimensions with controlled and reproducible porosity upon which the performance of the final composite part depends.
  • the subject of the invention is a method for manufacturing a preimpregnated fibrous material comprising a fiber material made of continuous fibers and a thermoplastic polymer matrix, characterized in that said preimpregnated fibrous material is made of a single unidirectional ribbon or a plurality of unidirectional parallel ribbons and in that said method comprises the following steps: i. a step of impregnating said fibrous material in the form of a wick or several parallel locks, said impregnation step comprising:
  • the hot calendering of the pre-impregnated bit (s), just downstream of the continuous impregnation device, by immersion in a bath containing an aqueous polymer dispersion makes it possible to homogenize the distribution of the polymer and impregnating the fibers, controlling and reducing the rate of porosity within the preimpregnated fibrous material, and obtaining one or more strips of great length and width and thickness calibrated.
  • the process according to the invention thus makes it possible to avoid the use of molten polymer, of excessive viscosity, the detrimental use of organic solvents, and it also makes it possible to form ribbons of calibrated dimensions without resorting to a step slitting and splicing.
  • said impregnation step i) is completed by a step of covering said single wick or said plurality of parallel strands after the immersion steps ia) and drying ib) with a molten thermoplastic polymer, which may be the same or different from said thermoplastic polymer of said aqueous dispersion, said covering step being carried out before said calendering step ii), said molten polymer preferably being of the same nature as said polymer of said aqueous dispersion, preferably with said covering being effected by extrusion at right angles to said single wick or to said plurality of parallel rovings, said polymer of said aqueous dispersion is a thermoplastic polymer or a mixture of thermoplastic polymers,
  • thermoplastic polymer or thermoplastic polymer blend further comprises carbonaceous fillers, in particular carbon black or carbon nanofillers, preferably chosen from carbon nanofillers, in particular graphenes and / or carbon nanotubes and / or nanofibrils carbon or their mixtures,
  • thermoplastic polymer or thermoplastic polymer blend further comprises liquid crystal polymers or cyclized poly (butylene terephthalate), or mixtures thereof, as an additive,
  • said polymer, or mixture of thermoplastic polymers is selected from amorphous polymers whose glass transition temperature is such that Tg> 80 ° C and / or from semi-crystalline polymers whose melting point T f is> 150 ° C,
  • thermoplastic polymer or thermoplastic polymer mixture is selected from: polyaryl ether ketones (PAEK), in particular poly (ether ether ketone) (PEEK); polyaryl ether ketone ketone (PAEKK), in particular poly (ether ketone ketone) (PEKK); aromatic polyetherimides (PEI); polyaryl sulfones, in particular polyphenylene sulfones (PPSU); polyarylsulfides, in particular polyphenylene sulfides (PPS); polyamides (PA), in particular aromatic polyamides optionally modified by urea units; polyacrylates, in particular polymethyl methacrylate (PMMA); or fluoropolymers, in particular polyvinylidene fluoride (PVDF); and their mixtures,
  • PAEK polyaryl ether ketones
  • PEEK poly (ether ether ketone)
  • PAEKK polyaryl ether ketone ketone
  • PEKK poly (ether ketone ketone)
  • said fibrous material comprises continuous fibers selected from carbon, glass, silicon carbide, basalt, silica fibers, natural fibers, in particular flax or hemp, sisal, silk, or cellulosic fibers, in particular viscose, or thermoplastic fibers having a glass transition temperature Tg greater than the Tg of said polymer or said polymer mixture when it is amorphous or has a melting temperature Tf greater than the Tf of said polymer or said polymer mixture when the latter is semi-crystalline, or a mixture of two or a plurality of said fibers, preferably a mixture of carbon fibers, glass or silicon carbide, in particular carbon fibers,
  • the volume ratio of said polymer or mixture of polymers relative to said fibrous material varies from 40 to 250%, preferably from 45 to 125% and more preferably from 45 to 80%,
  • the volume ratio of said polymer or said polymer mixture with respect to said fibrous material varies from 0.2 to 15%, preferably from 0.2 to 10% and more preferably from 0.2 to 5%;
  • the calendering step ii) is carried out by means of a plurality of heating calenders
  • said heating calender (s) of step ii) comprises (include) an induction or microwave integrated heating system, preferably a microwave, coupled with the presence of carbonaceous charges in said thermoplastic polymer or a mixture of thermoplastic polymers,
  • said heating calender (s) of step ii) is (are) coupled to a rapid complementary heating device, located before and / or after said (each) calender, in particular a microwave heating device or induction coupled to the presence of carbonaceous fillers in said polymer or said polymer mixture, or IR infrared heater, or Laser or by direct contact with another heat source such as a flame.
  • a rapid complementary heating device located before and / or after said (each) calender, in particular a microwave heating device or induction coupled to the presence of carbonaceous fillers in said polymer or said polymer mixture, or IR infrared heater, or Laser or by direct contact with another heat source such as a flame.
  • the invention also relates to a unidirectional tape of preimpregnated fibrous material, in particular ribbon wound on a reel, characterized in that it is obtained by a method as defined above.
  • the ribbon has a width and a thickness adapted for robot removal in the manufacture of parts in three dimensions, without the need for splitting, and preferably has a width of at least 5 mm and can go up to 100mm, preferably from 5 to 50mm and even more preferably from 5 to 10mm.
  • the invention also relates to a use of the method as defined above for the manufacture of calibrated ribbons adapted to the manufacture of parts. three-dimensional composites by automatically depositing said ribbons by means of a robot.
  • the invention further relates to a use of the tape as defined above in the manufacture of composite parts in three dimensions.
  • Said manufacture of said composite parts relates to the fields of transport, in particular automobile, civil or military aeronautics, nautical, railway; renewable energy, in particular wind turbine, tidal turbine, energy storage devices, solar panels; thermal protection panels; sports and recreation, health and medical, ballistics with weapon or missile parts, security and electronics.
  • the invention also relates to a three-dimensional composite part, characterized in that it results from the use of at least one unidirectional tape of preimpregnated fibrous material as defined above.
  • the invention finally relates to an implementation unit of the manufacturing method as defined above, said unit being characterized in that it comprises:
  • a device for continuously calendering said wick or said parallel wicks, with shaping, in the form of a single ribbon or in the form of several unidirectional parallel ribbons, comprising:
  • At least one heating radiator in particular several series of heating radiators, said radiator having a calendering groove or several calendering grooves, and preferably in the latter case having up to 200 calendering grooves,
  • a device for winding the ribbons of preimpregnated fibrous material comprising a number of coils identical to the number of ribbons, a spool being assigned to each ribbon, - said impregnating device a) further comprises and following said immersion tank device a1), and said drying device a2), a device a3) covering said single wick or said plurality of parallel wicks impregnated and dried, by a molten polymer, preferably said covering device a3) comprising an extrusion device at right angles to said single wick or with respect to said parallel locks,
  • said heating calender comprises (include) an integrated induction heating system
  • said heating calender is (are) coupled to a complementary rapid heating device located before and / or after said (each) calender, said heating system being chosen from a device in microwave or induction, particularly when coupled to the presence of carbonaceous charges, or an IR heating system, laser or other device allowing direct contact with the heat source, such as a flame device,
  • said drying device situated at the outlet of said immersion tank, is a heating device chosen from a microwave or induction device, in particular when it is coupled with the presence of carbonaceous charges, or a heating system infrared IR, or steam extraction oven.
  • FIG. 1 a diagram of an implementation unit of the process for manufacturing a preimpregnated fibrous material according to the invention
  • Figure 2 a sectional diagram of two rollers constituting a calender as used in the unit of Figure 1.
  • aqueous dispersion refers to any polymer dispersion in an aqueous medium, comprising emulsion, suspension, including micro-suspension, of polymer powder (s) or dispersion of particles of polymer formed in situ during polymerization in an aqueous medium, for example by emulsion or suspension polymerization.
  • Thermoplastic means or thermoplastic polymer, a generally solid material at room temperature, which may be crystalline, semi-crystalline or amorphous, and which softens during an increase in temperature, particularly after passing its temperature.
  • glass transition (Tg) if it is amorphous and flows at a higher temperature and can observe a frank fusion at the passage of its so-called melting temperature (Tf) (when it is crystalline or semi-crystalline), and which becomes again solid when the temperature falls below its melting temperature and below its glass transition temperature.
  • the polymer constituting the impregnating matrix of the fibrous material is preferably a thermoplastic polymer or a mixture of thermoplastic polymers.
  • This polymer or mixture of thermoplastic polymers is crushed in powder form so that it can be used in an aqueous dispersion.
  • the powder particles have an average diameter of preferably less than 125 ⁇ m, in order to penetrate the fiber locks.
  • thermoplastic polymer or thermoplastic polymer blend further comprises carbonaceous fillers, in particular carbon black or carbon nanofillers, preferably chosen from carbon nanofillers, in particular graphenes and / or nanotubes. of carbon and / or carbon nanofibrils or mixtures thereof.
  • carbonaceous fillers in particular carbon black or carbon nanofillers, preferably chosen from carbon nanofillers, in particular graphenes and / or nanotubes. of carbon and / or carbon nanofibrils or mixtures thereof.
  • thermoplastic polymer or thermoplastic polymer blend may further comprise additives, such as liquid crystal polymers or cyclized poly (butylene terephthalate), or mixtures containing them, such as commercialized CBT100 resin. by CYCLICS CORPORATION.
  • additives make it possible in particular to fluidify the polymer matrix in the molten state, for better penetration into the core of the fibers.
  • the thermoplastic polymer or thermoplastic polymer mixture is selected from amorphous polymers whose glass transition temperature is such that Tg> 80 ° C and / or from semi-crystalline polymers whose melting temperature Tf is> 150 ° C.
  • thermoplastic polymers used in the constitution of the impregnating matrix of the fibrous material may be chosen from:
  • PA polyamides
  • PA-6 polyamide 6
  • PA-11 polyamide 11
  • PA-12 polyamide 12
  • PA 6.6 PA-6.6
  • PA-4.6 polyamide 6.10
  • PA-6.12 polyamide 6.12
  • aromatic polyamides optionally modified with urea units, in particular polyphthalamides and aramid, and block copolymers, especially polyamide / polyether,
  • polyureas in particular aromatic
  • polymers and copolymers of the family of acrylics such as polyacrylates, and more particularly polymethyl methacrylate (PMMA) or its derivatives,
  • PAEK polyaryletherketone
  • PEEK polyetheretherketone
  • PAEKK polyaryletherketone ketones
  • PEKK polyetherketone ketone
  • polyarylsulfides in particular polyphenylene sulfides (PPS),
  • polyarylsulphones in particular polyphenylene sulphones (PPSU),
  • polystylenes in particular polypropylene (PP);
  • PLA polylactic acid
  • PVA polyvinyl alcohol
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PCTFE polychlorotrifluoroethylene
  • the polymers constituting the matrix are chosen from thermoplastic polymers having a melting temperature Tf high, namely from 150 ° C and above, such as polyamides (PA), in particular aromatic polyamides optionally modified with urea units, and their copolymers, polymethyl methacrylate (PPMA) and its copolymers, polyetherimides (PEI), polyphenylene sulfide (PPS), polyphenylene sulfone (PPSU), polyetherketoneketone (PEKK), polyetheretherketone (PEEK), fluoropolymers such as polyvinylidene fluoride ( PVDF).
  • PA polyamides
  • PPMA polymethyl methacrylate
  • PEI polyetherimides
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PPSU polyphenylene sulfone
  • PEKK polyetherketoneketone
  • PEEK polyetheretherketone
  • fluoropolymers such as polyvinylidene fluoride ( PVDF).
  • VDF vinylidene fluoride
  • CF 2 CF 2
  • the VDF content must be greater than 80% by weight, or even better 90% by weight, to ensure good mechanical strength to the structural part, especially when subjected to thermal stresses.
  • the comonomer may be a fluorinated monomer such as, for example, vinyl fluoride.
  • PAEK PolyArylEtherKetone
  • PEK polyether ketones
  • PEEK polyethylene
  • PEKK polyether ketone ketone
  • PEKEKK Poly (ether ketone ether ketone ketone)
  • the fibers of constitution of the fibrous material they are in particular fibers of mineral, organic or vegetable origin.
  • the fibers of mineral origin mention may be made of carbon fibers, glass fibers, basalt fibers, silica fibers, or silicon carbide fibers, for example.
  • the fibers of organic origin mention may be made of thermoplastic or thermosetting polymer-based fibers, such as aromatic polyamide fibers, aramid fibers or polyolefin fibers, for example.
  • thermoplastic polymer are based on thermoplastic polymer and have a glass transition temperature Tg greater than the Tg of the polymer or thermoplastic polymer mixture of constitution of the impregnation matrix when the latter is amorphous, or a melting temperature Tf greater than the Tf of the polymer or thermoplastic polymer mixture of constitution of the impregnation matrix when it is semi-crystalline.
  • Tg glass transition temperature
  • Tf melting temperature
  • Tf melting temperature
  • organic fibers may be mixed with the mineral fibers to be impregnated with thermoplastic polymer and form the preimpregnated fibrous material.
  • the fibers are optionally single-strand, multi-strand or a mixture of both, and may have several grammages. They can also have several geometries. Thus, they may be in the form of short fibers, which then make up the felt or nonwovens which may be in the form of strips, sheets, braids, locks or pieces, or in the form of continuous fibers, which make up the 2D fabrics. , fibers or strands of unidirectional fibers (UD) or nonwoven fibers.
  • the fibers constituting the fibrous material may also be in the form of a mixture of these reinforcing fibers of different geometries. Preferably, the fibers are continuous.
  • the fibrous material is constituted by continuous fibers of carbon, glass or silicon carbide or their mixture, in particular carbon fibers. It is used in the form of a lock or several locks.
  • volume ratio of polymer relative to the fibrous material it is possible to produce so-called pre-impregnated materials "ready to use” or so-called “dry” preimpregnated materials.
  • the polymer or mixture of thermoplastic impregnating polymers is distributed uniformly and homogeneously around the fibers.
  • the thermoplastic impregnating polymer must be distributed as homogeneously as possible within the fibers in order to obtain a minimum of porosities, ie voids between the fibers.
  • porosities in this type of material can act as points of concentration of stress, during a mechanical tensile stress for example, and which then form fracture initiation points of the pre fibrous material.
  • a homogeneous distribution of the polymer or polymer mixture thus improves the mechanical strength and homogeneity of the composite material formed from these preimpregnated fibrous materials.
  • the volume ratio of the polymer or mixture of thermoplastic polymers with respect to the fibrous material varies from 40 to 250%, preferably from 45 to 125%, and more preferably 45 to 80%.
  • the so-called “dry” preimpregnated fibrous materials comprise porosities between the fibers and a smaller amount of thermoplastic impregnating polymer which covers the surface fibers to hold them together.
  • These "dry” prepreg materials are suitable for the manufacture of preforms for composite materials.
  • These preforms can then be used to make the infusion of thermoplastic resin or thermosetting resin for example.
  • the porosities make it possible to facilitate the subsequent transport of the infused polymer resin within the preimpregnated fibrous material, in order to improve the final properties of the composite material and in particular its mechanical cohesion.
  • the presence of the thermoplastic impregnating polymer on the so-called "dry” preimpregnated fibrous material makes it possible to make the infusion resin compatible.
  • the volume ratio of the polymer or the mixture of polymers relative to the fibrous material advantageously varies from 0.2 to 15%, preferably from 0.2 to and 10% and more preferably 0.2 and 5%.
  • the method for manufacturing a fibrous material according to the invention advantageously comprises two steps: a first step of impregnating the fibrous material with the thermoplastic polymer, and then a step of shaping the fibrous material pre-impregnated in the form of one or more unidirectional ribbons whose width and thickness are calibrated.
  • the impregnation step of the fibrous material is carried out by passing one or more wicks in a continuous impregnation device, comprising a dip tank 20 containing an aqueous dispersion of polymer ( s) (for example polymer powder (s)) thermoplastic (s).
  • s polymer
  • thermoplastic thermoplastic
  • Said dispersion preferably has an average particle size of between 0.3 and 125 ⁇ .
  • Each wick to be impregnated is then unwound from a device 10 with reels 1 1 under the traction generated by cylinders (not shown).
  • the device 10 comprises a plurality of reels 1 1, each reel for unwinding a wick to impregnate.
  • Each reel 11 is provided with a brake (not shown) so as to apply tension to each fiber strand.
  • an alignment module 12 allows to arrange the fiber locks parallel to each other. In this way the fiber locks can not be in contact with each other, which makes it possible to avoid mechanical degradation of the fibers in particular.
  • the fiber lock or the parallel fiber locks then pass into the immersion tank 20 containing the aqueous polymer dispersion.
  • the polymer powder (s) is mixed with water to form this dispersion.
  • the strand or strands are circulated in the bath formed by this aqueous dispersion 22.
  • the average diameter of the polymer particles, including in the form of a powder dispersion, in the aqueous dispersion is preferably less than 125 ⁇ m, in order to be able to penetrate the fiber lock or strands.
  • the particle diameter is between 0.3 ⁇ and 1 ⁇ , preferably between 0.4 ⁇ and ⁇ ⁇ .
  • the pre-impregnated bit (s) then emerge from the tank (20) and move towards a drying device (25) in order to evaporate the water.
  • This drying device 25, situated at the outlet of the immersion tank 20, is advantageously constituted by a heating device chosen from a microwave device or by induction, in particular when it is coupled with the presence of carbonaceous charges, or an infrared heating system IR, or steam extraction oven.
  • a heating device chosen from a microwave device or by induction
  • the polymer or polymer mixture comprises carbonaceous fillers, such as carbon black or carbon nanofillers, preferably chosen from carbon nanofillers, in particular graphenes and / or nanotubes. of carbon and / or carbon nanofibrils or mixtures thereof
  • the effect of induction heating or microwave heating is amplified by the presence of these charges which then lead the heat to the heart of the material.
  • this impregnation step may be completed by a step of covering the wick or pre-impregnated wicks, just at the outlet of the impregnating tank 20 and the drying device 25, and just before the shaping step by calendering.
  • a covering device 30, preferably by extrusion at the angle head, makes it possible to cover the pre-impregnated fiber lock or strands with a molten thermoplastic polymer.
  • the covering polymer may be the same or different from the polymer powder in aqueous dispersion. Preferably, it is of the same nature.
  • Such an overlay makes it possible not only to complete the fiber impregnation step to obtain a final polymer volume content in the desired range, in particular to obtain good quality "ready-to-use” fiber materials, but it also makes it possible to improve the performance of the composite material obtained.
  • the wick (the parallel locks) pre-impregnated (s), possibly covered (s) with a molten polymer is (are) put (s) in form in the form of a single unidirectional ribbon or a plurality of parallel unidirectional ribbons, by means of a continuous calender device comprising one or more heating calandres.
  • the heating calenders of the calendering device are coupled to rapid heating means that heat the material not only at the surface but also at the core.
  • the mechanical stress of the calenders coupled to these rapid heating means makes it possible to eliminate the presence of porosities and to homogeneously distribute the polymer, especially when the fibrous material is a so-called "ready-to-use” material.
  • this hot calendering not only allows the impregnating polymer to be heated so that it penetrates, adheres and uniformly covers the fibers, but also to control the thickness and the width of the strip or ribbons. fibrous material prepreg.
  • the heating calenders referenced 51, 52, 53 in the diagram of Figure 1, advantageously comprise a plurality of calendering grooves, in accordance with the number of ribbons. This number of grooves can for example go up to 200.
  • a SYST slave system also allows to regulate the pressure and / or spacing E between the rollers 71, 75 of the calender 70, so as to control the thickness ep ribbons.
  • Such a shell 70 is shown schematically in Figure 2 described below.
  • the calendering device comprises at least one heating radiator 51.
  • it comprises several heating radiators 51, 52, 53 connected in series.
  • the fact of having several calender in series makes it possible to pack the porosities in the material and to reduce their rate. This plurality of calenders is therefore important when it is desired to produce so-called "ready-to-use” fibrous materials.
  • so-called "dry” fibrous materials it is possible to be satisfied with a lower number of calenders or even a single calender.
  • each calender of the calendering device has an induction heating system or by microwave, preferably by microwave, in order to heat the polymer or mixture of thermoplastic polymers.
  • the polymer or mixture of polymers comprises carbon-containing fillers, such as carbon black or carbon nanofillers, preferably chosen from carbon nanofillers, in particular graphenes and / or carbon nanotubes and / or carbon nanofibrils or their mixtures, the effect of heating by induction or by microwaves is amplified by the presence of these charges which then lead the heat to the heart of the material.
  • each calender 51, 52, 53 of the device is coupled to a rapid heating device 41, 42, 43, located before and / or after each calender, in order to quickly transmit thermal energy to the material. and of perfect impregnation of the fibers with said molten polymer.
  • the rapid heating device may for example be chosen from the following devices: a microwave or induction device, an IR or laser infrared device or other device allowing direct contact with the heat source such as a flame device.
  • a microwave or induction device is very advantageous, in particular when it is coupled to the presence of carbon nanofillers in the polymer or polymer mixture since the carbon nanofillers amplify the heating effect and transmit it to the core of the material.
  • the method may further comprise a step of heating the wicks of the fibers, before said impregnation with, as a preferred heating means, heating by microwaves as for the heating system of said heating calender.
  • a subsequent step is to wind the tape or pre-impregnated and shaped tapes.
  • the unit 100 for implementing the method comprises a winding device 60 comprising as many coils 61 as ribbons, a coil 61 being assigned to each ribbon.
  • a splitter 62 is generally provided to deflect the pre-impregnated ribbons to their respective coils 61, while preventing the ribbons touching to avoid any degradation.
  • FIG. 2 shows schematically the detail of the grooves 73 of a calender 70 sectional view.
  • a calender 70 comprises an upper roller 71 and a lower roller 75.
  • One of the rollers for example the upper roller 71, comprises a crenellated portion 72, while the other roller, i.e., the lower roller 75 in the example comprises a grooved portion 76, the shape of the grooves being complementary to the shape of the protruding portions 72 of the upper roller.
  • the distance E between the rollers 71, 75 and / or the pressure exerted by the two rollers against each other makes it possible to define the dimensions of the grooves 73, and in particular their thickness ep and width I.
  • Each groove 73 is provided to house a bit of fiber which is then pressed and heated between the rollers.
  • the wicks then turn into parallel unidirectional ribbons whose thickness and width are calibrated by the grooves 73 of the calenders.
  • Each calender advantageously comprises a plurality of grooves, the number of which can be up to 200, so as to produce as many ribbons that there are gorges and pre-impregnated locks.
  • the calendering device further comprises a central device, referenced SYST in FIG. 1, controlled by a computer program provided for this purpose, which makes it possible to simultaneously regulate the pressure and / or the spacing of the calendering rollers of all the calanders 51, 52, 53 of the unit 100.
  • the ribbon (s) or unidirectional (s) thus manufactured (s) has (s) a width and a thickness suitable for removal by robot in the manufacture of parts in three dimensions, without the need for slitting.
  • the width of the ribbon (s) is advantageously between 5 and 100mm, preferably between 5 and 50mm, and even more preferably between 5 and 10mm.
  • the process for manufacturing a pre-impregnated fibrous material which has just been described thus makes it possible to produce pre-impregnated fibrous materials with high productivity while permitting homogeneous impregnation of the fibers and the control and reproducibility of the porosity, and thus the control and reproducibility of the performance of the final composite article.
  • the homogeneous impregnation around the fibers and the absence of porosities are ensured by the impregnation step, by immersion in an aqueous polymer dispersion, coupled with the use of a mechanical stress shaping device. - even coupled with rapid heating systems that heat the material surface but also heart.
  • the materials obtained are semi-finished products in the form of ribbons calibrated in thickness and width and which are used for the manufacture of structural parts in three dimensions, in the transport sectors such as automotive, aerospace, nautical , or rail, renewable energy, especially wind turbine, tidal turbine, energy storage devices, solar panels; thermal protection panels; sports and recreation, health and medical; weapons, armament and ballistics (weapon or missile parts); security, by a method that may be tape removal assisted by a robot head for example, and known as AFP method (the acronym "Automatic Fiber Placement").
  • This method therefore makes it possible to continuously produce ribbons of calibrated dimensions and of great length, so that it avoids slitting and splicing steps that are costly and detrimental to the quality of the composite parts manufactured later.
  • the economics of removing the stage of slitting represents about 30-40% of the total cost of producing a ribbon of preimpregnated fibrous material.
  • the combination of rapid heating devices with hot calenders facilitates the shaping of ribbons to the desired dimensions and allows to significantly increase the production rate of these ribbons compared to conventional shaping processes. Moreover, this combination makes it possible to densify the material by completely eliminating the porosities in so-called "ready-to-use" fibrous materials.
  • the rapid heating devices also allow the use of many polymer grades, even the most viscous, which can cover all ranges of mechanical strength desired.
  • the impregnation step by immersion in an aqueous dispersion, makes it possible to obtain a uniformly distributed weight of polymers, with a preferred level of polymer. deposited in the order of 5 to 7 g / m.
  • the method thus makes it possible to produce calibrated ribbons of preimpregnated fibrous material suitable for the manufacture of composite parts in three dimensions, by automatically depositing said ribbons by means of a robot.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un matériau fibreux pré- imprégné comprenant un matériau fibreux en fibres continues et une matrice en polymère thermoplastique, caractérisé en ce que ledit matériau fibreux pré-imprégné est réalisé en un ruban unique unidirectionnel ou en une pluralité de rubans parallèles unidirectionnels et en ce que ledit procédé comprend les étapes suivantes: i)une étape d'imprégnation dudit matériau fibreux se présentant sous forme de plusieurs mèches parallèles, ladite étape d'imprégnation comprenant: ia) l'immersion dudit matériau fibreux dans un bain contenant une dispersion aqueuse (22) dudit polymère thermoplastique, ladite immersion étant suivie par ib) un séchage (25) dudit matériau fibreux, puis ii)une étape de mise en forme desdites mèches parallèles dudit matériau fibreux imprégné selon l'étape i), par calandrage au moyen d'au moins une calandre chauffante (51, 52, 53) sous forme d'une pluralité de rubans parallèles unidirectionnels avecladite calandre chauffante comportant une pluralité de gorges (73)de calandrage, de préférence jusqu'à 200 gorges de calandrage, en conformité avec le nombre desdits ruban et avec une pression et/ou un écartement entre les rouleaux (71, 75) de ladite calandre régulé par un système asservi.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN MATERIAU FIBREUX PRE-IMPREGNE DE POLYMERE THERMOPLASTIQUE EN UTILISANT UNE DISPERSION AQUEUSE
DE POLYMERE
[Domaine de l'invention!
[0001 ] La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné de polymère thermoplastique.
[0002] Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné comprenant une étape d'imprégnation suivie d'une étape de mise en forme pour l'obtention de rubans de matériau fibreux pré- imprégné, de dimensions calibrées, directement utilisables pour la fabrication de pièces composites tridimensionnelles.
[0003] Dans la présente description, on entend par « matériau fibreux » un assemblage de fibres de renfort. Avant sa mise en forme, il se présente sous forme de mèches. Après sa mise en forme, il se présente sous forme de bandes, ou de nappes, ou de morceaux. Lorsque les fibres de renfort sont continues, leur assemblage constitue un tissu. Lorsque les fibres sont courtes, leur assemblage constitue un feutre ou un non tissé.
[0004] Les fibres pouvant entrer dans la composition du matériau fibreux sont plus spécialement des fibres de carbone, des fibres de verre, des fibres de basalte, des fibres de carbure de silicium, des fibres à base de polymères, des fibres végétales, ou des fibres cellulosiques utilisées seules ou en mélange.
[0005] De tels matériaux fibreux pré-imprégnés sont notamment destinés à la réalisation de matériaux composites légers pour la fabrication de pièces mécaniques ayant une structure à trois dimensions et possédant des propriétés de bonne résistance mécanique, thermique et capables d'évacuer des charges électrostatiques, c'est-à-dire des propriétés compatibles avec la fabrication de pièces notamment dans les domaines de la mécanique, de l'aéronautique et nautique, de l'automobile, de l'énergie, de la santé et du médical, de l'armée et de l'armement, des sports et loisirs, et de l'électronique.
[0006] De tels matériaux fibreux pré-imprégnés sont également appelés matériaux composites. Ils comprennent le matériau fibreux, constitué des fibres de renfort, et d'une matrice constituée par le polymère d'imprégnation. Le premier rôle de cette matrice est de maintenir les fibres de renfort dans une forme compacte et de donner la forme voulue au produit final. Une telle matrice sert entre autres à protéger les fibres de renfort contre l'abrasion et un environnement agressif, à contrôler l'aspect de surface et à disperser d'éventuelles charges entre les fibres. Le rôle de cette matrice est important pour la tenue à long terme du matériau composite, notamment en ce qui concerne la fatigue et le fluage.
[Art antérieur]
[0007] Une bonne qualité des pièces composites tridimensionnelles fabriquées à partir de matériaux fibreux pré-imprégnés passe par conséquent par une maîtrise d'une part du procédé d'imprégnation des fibres de renfort par le polymère thermoplastique et d'autre part du procédé de mise en forme du matériau fibreux préimprégné sous forme de produit semi-fini.
[0008] Dans la présente description, on utilise le terme « bande » pour désigner des bandes de matériau fibreux dont la largeur est supérieure ou égale à 100mm. On utilise le terme « ruban » pour désigner des rubans de largeur calibrée et inférieure ou égale à 100mm.
[0009] Jusqu'à présent, la fabrication de bandes de matériaux fibreux renforcées par imprégnation de polymère thermoplastique ou de polymère thermodurcissable s'effectuait suivant plusieurs procédés qui dépendent notamment de la nature du polymère, du type de matériau composite final souhaité et de son domaine d'applications. Les technologies de dépôt de poudre ou d'extrusion de polymère fondu sont utilisées pour imprégner les fibres de renfort par des polymères thermodurcissables, comme les résines époxy par exemple, tel que décrit dans le brevet WO2012/066241 A2. Ces technologies ne sont généralement pas applicables directement à l'imprégnation par des polymères thermoplastiques, en particulier ceux à haute température de fusion qui ont une viscosité à l'état fondu trop importante pour obtenir une imprégnation satisfaisante des fibres et des produits semi-finis ou finis de bonne qualité.
[0010] Des sociétés commercialisent des bandes de matériaux fibreux obtenues par une méthode d'imprégnation de fibres unidirectionnelles par passage des fibres, en continu, dans un bain fondu de polymère thermoplastique contenant un solvant organique tel que la benzophénone. On peut par exemple se référer au document US 4 541 884 de l'Impérial Chemical Industries. La présence du solvant organique permet notamment d'adapter la viscosité du mélange fondu et d'assurer une bonne enduction des fibres. Les fibres ainsi pré-imprégnées sont ensuite mises en forme. Elles peuvent par exemple être découpées en bandes de différentes largeurs puis disposées sous une presse, puis chauffées à une température supérieure à la température de fusion du polymère pour assurer la cohésion du matériau et notamment l'adhérence du polymère sur les fibres. Cette méthode d'imprégnation et de mise en forme permet de réaliser des pièces de structure à haute tenue mécanique.
[001 1 ] Un des inconvénients de cette technique réside dans la température de chauffe nécessaire à l'obtention de ces matériaux. La température de fusion des polymères dépend notamment de leur nature chimique. Elle peut être relativement élevée pour des polymères de type poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA), voire très élevée pour des polymères de type poly(sulfure de phénylène) (PPS), poly(éther éther cétone) (PEEK) ou poly(éther cétone cétone) (PEKK) par exemple. La température de chauffe peut donc monter à des températures supérieures à 250°C, et même supérieures à 350°C, températures qui sont très supérieures à la température d'ébullition et au point éclair du solvant, qui sont respectivement de 305°C et 150°C pour la benzophénone. Dans ce cas, on assiste à un départ brusque du solvant induisant une forte porosité au sein des fibres et provoquant par conséquent l'apparition de défauts dans le matériau composite. Le procédé est donc difficilement reproductible et implique des risques d'explosion mettant en danger les opérateurs. Enfin, l'utilisation de solvants organiques est à éviter pour des raisons environnementales et d'hygiène et sécurité des opérateurs.
[0012] Le document EP 0 406 067, déposé aux noms conjoints d'Atochem et de l'Etat Français, ainsi que le document ΕΡ0 201 367 décrivent quant à eux une technique d'imprégnation sur lit fluidisé de poudre de polymère. Les fibres pénètrent dans une cuve de fluidisation fermée où elles sont éventuellement séparées les unes des autres au moyen de galets ou de cylindres cannelés, les fibres se chargeant électrostatiquement, par frottement au contact de ces galets ou cylindres. Cette charge électrostatique permet à la poudre de polymère de se coller en surface des fibres et ainsi de les imprégner.
[0013] Un autre procédé connu d'imprégnation est le passage en continu des fibres dans une dispersion aqueuse de poudre polymérique. . On peut par exemple se référer au document EP0324680. On utilise dans ce procédé une dispersion de poudres de taille micrométrique (environ 20 μηη). Après trempage dans la solution aqueuse, les fibres sont imprégnées par la poudre polymérique. Le procédé implique alors une étape de séchage consistant à faire passer les fibres imprégnées dans un premier four afin d'évaporer l'eau absorbée pendant le trempage. Une étape de traitement thermique, consistant à faire passer les fibres imprégnées et séchées dans une seconde zone de chauffage, à haute température, est ensuite nécessaire pour fondre le polymère afin qu'il adhère, se répartisse et recouvre les fibres.
[0014] Le principal inconvénient de cette méthode est l'homogénéité du dépôt qui est souvent imparfaite. Un autre problème lié à ce procédé est la forte porosité induite par la mauvaise répartition du polymère au sein des fibres, qui peut persister après l'étape de traitement thermique, entraînant par conséquent l'apparition d'un grand nombre de défauts dans le matériau fibreux pré-imprégné. Le matériau fibreux préimprégné nécessite ensuite d'être mis en forme sous forme de rubans par exemple. La technique de mise en forme peut en outre altérer encore le matériau et le fragiliser encore plus du fait de la présence de ces défauts.
[0015] Le document FR2973802 décrit un procédé de fabrication d'un matériau composite à base de fibres et d'un polymère de chlorure de vinyle. Le procédé consiste dans un premier temps à plonger les fibres dans un bain d'hydrosol constitué d'une dispersion aqueuse de polychlorure de vinyle. Les fibres imprégnées sont ensuite séchées pour éliminer l'eau, puis l'hydrosol est gélifié pour passer d'une phase hétérogène à une phase homogène, sous l'action de la chaleur. Ce document ne divulgue pas le fait d'imprégner plusieurs mèches de fibres parallèles en simultané dans une dispersion aqueuse et de les mettre en forme de rubans parallèles unidirectionnels au moyen d'une calandre chauffante à gorges multiples.
[0016] Le document WO2008/051756 décrit quant à lui une dispersion aqueuse de poudre de polymère thermoplastique utilisée pour imprégner des brins de fibres. Une fois imprégnées les fibres sont séchées pour éliminer l'eau puis elles sont transformées en granulés ou paillettes. Ce document ne divulgue pas non plus le fait d'imprégner plusieurs mèches de fibres parallèles en simultané dans une dispersion aqueuse et de les mettre en forme de rubans parallèles unidirectionnels au moyen d'une calandre chauffante à gorges multiples.
[0017] Concernant la mise en forme des matériaux fibreux pré-imprégnés sous forme de rubans calibrés, adaptés à la fabrication de pièces composites tridimensionnelles par dépose automatique au moyen d'un robot, celle-ci est en général réalisée en post-traitement.
[0018] La qualité des rubans de matériau fibreux pré-imprégné, et donc la qualité du matériau composite final, dépend non seulement de l'homogénéité de l'imprégnation des fibres et donc du contrôle et de la reproductibilité de la porosité du matériau fibreux pré-imprégné, mais également de la dimension et plus particulièrement de la largeur et de l'épaisseur des rubans. Une régularité et un contrôle de ces deux paramètres dimensionnels permettent en effet d'améliorer la tenue mécanique des matériaux.
[0019] Actuellement, quel que soit le procédé utilisé pour l'imprégnation des matériaux fibreux, la fabrication de rubans de faible largeur, c'est-à-dire de largeur inférieure à 100mm, nécessite généralement une refente (c'est-à-dire une découpe) de bandes de largeur supérieure à 500 mm, encore dénommées nappes. Les rubans ainsi dimensionnés sont ensuite repris pour être déposés par un robot à l'aide d'une tête.
[0020] En outre, les rouleaux de nappes ne dépassant pas une longueur de l'ordre de 1 km, les rubans obtenus après découpe ne sont en général pas suffisamment longs pour fabriquer certains matériaux de taille importante lors de la dépose par robot. Les rubans doivent donc être raboutés pour obtenir une longueur plus importante, créant alors des surépaisseurs. Ces surépaisseurs entraînent l'apparition d'hétérogénéités qui sont préjudiciables à l'obtention de matériaux composites de bonne qualité.
[0021 ] Les techniques actuelles d'imprégnation de matériaux fibreux et de mise en forme de tels matériaux fibreux pré-imprégnés sous forme de rubans calibrés présentent donc plusieurs inconvénients. Il est par exemple difficile de chauffer de manière homogène un mélange fondu de polymères thermoplastiques dans une filière et en sortie de filière, jusqu'au cœur du matériau, ce qui altère la qualité de l'imprégnation. De plus, la différence de température existante entre les fibres et un mélange fondu de polymères au niveau de la filière d'imprégnation altère également la qualité et l'homogénéité de l'imprégnation. L'utilisation de solvants organiques implique généralement l'apparition de défauts dans le matériau ainsi que des risques environnementaux et de sécurité. La mise en forme, par post-traitement à haute température du matériau fibreux pré-imprégné sous forme de bandes, reste difficile car elle ne permet pas toujours une répartition homogène du polymère au sein des fibres ce qui entraine l'obtention d'un matériau de moindre qualité. Le refendage de nappes pour l'obtention de rubans calibrés et le raboutage de ces rubans induit un coût supplémentaire de fabrication. Le refendage génère en outre des problèmes importants de poussières qui polluent les rubans de matériaux fibreux pré-imprégnés utilisés pour la dépose robot et peuvent entraîner des dysfonctionnements des robots et/ou des imperfections sur les composites. Ceci entraine potentiellement des coûts de réparation des robots, un arrêt de la production et la mise au rebut des produits non conformes. Enfin, lors de l'étape de refendage, une quantité non négligeable de fibres est détériorée, induisant une perte de propriétés, et notamment une réduction de la résistance mécanique et de la conductivité, des rubans de matériau fibreux préimprégné.
[Problème technique]
[0022] L'invention a donc pour but de remédier à au moins un des inconvénients de l'art antérieur. L'invention vise notamment à proposer un procédé de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné, associant une technique d'imprégnation et une technique de mise en forme en continu, afin d'éviter toute étape de post-traitement du matériau fibreux, et d'obtenir un matériau fibreux pré-imprégné présentant une imprégnation homogène des fibres et des dimensions contrôlées avec une porosité contrôlée et reproductible dont dépendent les performances de la pièce composite finale.
[Brève description de l'invention]
[0023] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné comprenant un matériau fibreux en fibres continues et une matrice polymère thermoplastique, caractérisé en ce que ledit matériau fibreux préimprégné est réalisé en un ruban unique unidirectionnel ou en une pluralité de rubans parallèles unidirectionnels et en ce que ledit procédé comprend les étapes suivantes : i. une étape d'imprégnation dudit matériau fibreux se présentant sous forme d'une mèche ou de plusieurs mèches parallèles, ladite étape d'imprégnation comprenant :
ia) l'immersion dudit matériau fibreux dans un bain contenant une dispersion aqueuse dudit polymère thermoplastique, ladite immersion étant suivie par ib) un séchage dudit matériau fibreux, puis
ii. une étape de mise en forme de ladite mèche ou desdites mèches parallèles dudit matériau fibreux imprégné selon l'étape i), par calandrage au moyen d'au moins une calandre chauffante sous forme de ruban unique unidirectionnel ou d'une pluralité de rubans parallèles unidirectionnels avec, dans ce dernier cas, ladite calandre chauffante comportant une pluralité de gorges de calandrage, de préférence jusqu'à 200 gorges de calandrage, en conformité avec le nombre desdits rubans et avec une pression et/ou un écartement entre les rouleaux de ladite calandre régulé par un système asservi.
[0024] Ainsi, le calandrage à chaud de la ou des mèches pré-imprégnées, juste en aval du dispositif d'imprégnation en continu, par immersion dans un bain contenant une dispersion aqueuse de polymère, permet d'homogénéiser la répartition du polymère et l'imprégnation des fibres, de contrôler et réduire le taux de porosités au sein du matériau fibreux pré-imprégné, et d'obtenir un ou plusieurs rubans de grande longueur et de largeur et d'épaisseur calibrées. Le procédé selon l'invention permet donc d'éviter l'utilisation de polymère fondu, de viscosité trop importante, l'utilisation préjudiciable de solvants organiques, et il permet également de mettre en forme des rubans de dimensions calibrées sans avoir recours à une étape de refendage et de raboutage.
[0025] Selon d'autres caractéristiques optionnelles du procédé :
- il comprend en outre une étape iii) de bobinage dudit ruban ou desdits rubans sur une ou plusieurs bobines, le nombre de bobines étant identique au nombre de rubans, une bobine étant affectée à chaque ruban,
- ladite étape d'imprégnation i) est complétée par une étape de recouvrement de ladite mèche unique ou de ladite pluralité de mèches parallèles après les étapes d'immersion ia) et séchage ib), par un polymère thermoplastique fondu, pouvant être le même ou différent dudit polymère thermoplastique de ladite dispersion aqueuse, ladite étape de recouvrement étant réalisée avant ladite étape de calandrage ii), ledit polymère fondu étant de préférence de même nature que ledit polymère de ladite dispersion aqueuse, de préférence avec ledit recouvrement s'effectuant par extrusion en tête d'équerre par rapport à ladite mèche unique ou à ladite pluralité de mèches parallèles, ledit polymère de ladite dispersion aqueuse est un polymère thermoplastique ou un mélange de polymères thermoplastiques,
ledit polymère thermoplastique ou mélange de polymères thermoplastiques comprend en outre des charges carbonées, en particulier du noir de carbone ou des nanocharges carbonées, de préférence choisies parmi des nanocharges carbonées, en particulier des graphènes et/ou des nanotubes de carbone et/ou des nanofibrilles de carbone ou leurs mélanges,
le polymère thermoplastique ou mélange de polymères thermoplastiques comprend en outre des polymères à cristaux liquides ou du poly(butylène téréphtalate) cyclisé, ou des mélanges en contenant, comme additif,
ledit polymère, ou mélange de polymères thermoplastiques, est sélectionné parmi des polymères amorphes dont la température de transition vitreuse est telle que Tg> 80°C et/ou parmi des polymères semi-cristallins dont la température de fusion Tf est > 150°C,
le polymère thermoplastique ou mélange de polymères thermoplastiques est sélectionné parmi : les polyaryl éther cétones (PAEK), en particulier le poly(éther éther cétone) (PEEK) ; les polyaryl éther cétone cétone (PAEKK), en particulier le poly(éther cétone cétone) (PEKK) ; les polyéther-imides (PEI) aromatiques ; les polyaryl sulfones, en particulier les polyphénylène sulfones (PPSU) ; les polyarylsulfures, en particulier les polyphénylène sulfures (PPS) ; les polyamides (PA), en particulier polyamides aromatiques éventuellement modifiées par unités urées ; les polyacrylates en particulier le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ; ou les polymères fluorés en particulier le polyfluorure de vinylidène (PVDF) ; et leurs mélanges,
ledit matériau fibreux comprend des fibres continues sélectionnées parmi les fibres de carbone, de verre, de carbure de silicium, de basalte, de silice, les fibres naturelles en particulier de lin ou de chanvre, de sisal, de soie, ou cellulosiques en particulier de viscose, ou les fibres thermoplastiques de température de transition vitreuse Tg supérieure à la Tg dudit polymère ou dudit mélange de polymères lorsque ce-dernier est amorphe ou de température de fusion Tf supérieure à la Tf dudit polymère ou dudit mélange de polymères lorsque ce-dernier est semi-cristallin, ou un mélange de deux ou de plusieurs desdites fibres, de préférence un mélange de fibres de carbone, de verre ou de carbure de silicium, en particulier des fibres de carbone,
- le taux en volume dudit polymère ou mélange de polymères par rapport audit matériau fibreux varie de 40 à 250% de préférence de 45 à 125 % et plus préférentiellement de 45 à 80%,
- le taux en volume dudit polymère ou dudit mélange de polymères par rapport audit matériau fibreux varie de 0,2 et 15 %, de préférence entre 0,2 et 10% et plus préférentiellement de 0,2 et 5%,
- l'étape de calandrage ii) est réalisée au moyen d'une pluralité de calandres chauffantes,
- ladite (lesdites) calandre(s) chauffante(s) de l'étape ii) comprend (comprennent) un système de chauffage intégré par induction ou par microondes, de préférence par microondes, couplé à la présence de charges carbonées dans ledit polymère thermoplastique ou mélange de polymères thermoplastiques,
- ladite (lesdites) calandre(s) chauffante(s) de l'étape ii) est (sont) couplée(s) à un dispositif de chauffage complémentaire rapide, situé avant et/ou après ladite (chaque) calandre, en particulier un dispositif de chauffage par microondes ou induction couplé à la présence de charges carbonées dans ledit polymère ou dans ledit mélange de polymères, ou un dispositif de chauffage infrarouge IR, ou Laser ou par contact direct avec une autre source de chaleur comme une flamme.
[0026] L'invention se rapporte également à un ruban unidirectionnel de matériau fibreux pré-imprégné, en particulier ruban enroulé sur bobine, caractérisé en ce qu'il est obtenu par un procédé tel que défini ci-dessus.
[0027] Selon une caractéristique optionnelle, le ruban a une largeur et une épaisseur adaptées pour une dépose par robot dans la fabrication de pièces en trois dimensions, sans besoin de refendage, et de préférence a une largeur d'au moins 5 mm et pouvant aller jusqu'à 100mm, de préférence de 5 à 50 mm et de manière encore plus préférée de 5 à 10mm.
[0028] L'invention se rapporte aussi à une utilisation du procédé tel que défini ci- dessus pour la fabrication de rubans calibrés adaptés à la fabrication de pièces composites en trois dimensions par dépose automatique desdits rubans au moyen d'un robot.
[0029] L'invention porte en outre sur une utilisation du ruban tel que défini ci- dessus dans la fabrication de pièces composites en trois dimensions. Ladite fabrication desdites pièces composites concerne les domaines des transports, en particulier automobile, aéronautique civile ou militaire, nautique, ferroviaire ; des énergies renouvelables, en particulier éolienne, hydrolienne, les dispositifs de stockage d'énergie, les panneaux solaires ; des panneaux de protection thermique ; des sports et loisirs, de la santé et du médical, de la balistique avec pièces pour arme ou missile, de la sécurité et de l'électronique.
[0030] L'invention concerne également une pièce composite en trois dimensions, caractérisée en ce qu'elle résulte de l'utilisation d'au moins un ruban unidirectionnel de matériau fibreux pré-imprégné tel que défini ci-dessus.
[0031 ] L'invention porte enfin sur une unité de mise en œuvre du procédé de fabrication tel que défini ci-dessus, ladite unité étant caractérisée en ce qu'elle comprend :
a) un dispositif d'imprégnation en continu comprenant
a1 ) une cuve d'immersion contenant ladite dispersion aqueuse dudit polymère, et a2) un dispositif de séchage de ladite mèche unique ou de ladite pluralité de mèches parallèles,
b) un dispositif de calandrage en continu de ladite mèche ou desdites mèches parallèles, avec mise en forme, sous forme d'un ruban unique ou sous forme de plusieurs rubans parallèles unidirectionnels, comprenant :
b1 ) au moins une calandre chauffante, en particulier plusieurs calandres chauffantes en série, ladite calandre portant une gorge de calandrage ou plusieurs gorges de calandrage, et de préférence dans ce dernier cas ayant jusqu'à 200 gorges de calandrage,
b2) un système de régulation de la pression et/ou de l'écartement entre rouleaux de calandrage.
[0032] Selon d'autres caractéristiques optionnelles de l'unité :
- elle comprend en outre un dispositif d'embobinage des rubans de matériau fibreux pré-imprégné, comportant un nombre de bobines identique au nombre de rubans, une bobine étant affectée à chaque ruban, - ledit dispositif d'imprégnation a) comprend en plus et à la suite dudit dispositif de cuve d'immersion a1 ), et dudit dispositif de séchage a2), un dispositif a3) de recouvrement de ladite mèche unique ou de ladite pluralité de mèches parallèles imprégnées et séchées, par un polymère fondu, de préférence ledit dispositif de recouvrement a3) comprenant un dispositif d'extrusion en tête d'équerre par rapport à ladite mèche unique ou par rapport auxdites mèches parallèles,
- ladite (lesdites) calandre(s) chauffante(s) comprend (comprennent) un système de chauffage intégré par induction,
- ladite (lesdites) calandre(s) chauffante(s) est (sont) couplée(s) à un dispositif complémentaire de chauffage rapide, situé avant et/ou après ladite (chaque) calandre, ledit système de chauffage étant choisi parmi un dispositif à microondes ou d'induction en particulier lorsqu'il est couplé à la présence de charges carbonées, ou un système de chauffage IR, Laser ou un autre dispositif permettant un contact direct à la source de chaleur, tel qu'un dispositif à flamme,
- ledit dispositif de séchage, situé en sortie de ladite cuve d'immersion, est un dispositif de chauffage choisi parmi un dispositif à microondes ou par induction, en particulier lorsqu'il est couplé à la présence de charges carbonées, ou un système de chauffage infrarouge IR, ou par four à extraction de vapeur d'eau.
[0033] D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description faite à titre d'exemple illustratif et non limitatif, en référence aux Figures annexées, qui représentent :
· la Figure 1 , un schéma d'une unité de mise en œuvre du procédé de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné selon l'invention,
• la Figure 2, un schéma en coupe de deux rouleaux constitutifs d'une calandre telle qu'utilisée dans l'unité de la Figure 1 .
[Description détaillée de l'invention]
[0034] Le terme « dispersion aqueuse » tel qu'utilisé se rapporte à toute dispersion de polymère en milieu aqueux, comprenant émulsion, suspension, y compris micro-suspension, de poudre de polymère(s) ou dispersion de particules de polymère formés in situ lors d'une polymérisation en milieu aqueux, par exemple par polymérisation en émulsion ou en suspension.
Matrice polymère
[0035] On entend par thermoplastique, ou polymère thermoplastique, un matériau généralement solide à température ambiante, pouvant être cristallin, semi-cristallin ou amorphe, et qui se ramollit lors d'une augmentation de température, en particulier après passage de sa température de transition vitreuse (Tg) s'il est amorphe et s'écoule à plus haute température et pouvant observer une fusion franche au passage de sa température dite de fusion (Tf) (lorsqu'il est cristallin ou semi- cristallin), et qui redevient solide lors d'une diminution de température en dessous de sa température de fusion et en dessous de sa température de transition vitreuse.
[0036] Concernant le polymère de constitution de la matrice d'imprégnation du matériau fibreux, c'est avantageusement un polymère thermoplastique ou un mélange de polymères thermoplastiques. Ce polymère ou mélange de polymères thermoplastiques est broyé sous forme de poudre, afin de pouvoir l'utiliser dans une dispersion aqueuse. Les particules de poudre présentent un diamètre moyen de préférence inférieur à 125μηη, afin de pouvoir pénétrer la ou les mèches de fibres.
[0037] De manière facultative, le polymère thermoplastique ou mélange de polymères thermoplastiques comprend en outre des charges carbonées, en particulier du noir de carbone ou des nanocharges carbonées, de préférence choisies parmi des nanocharges carbonées, en particulier des graphènes et/ou des nanotubes de carbone et/ou des nanofibrilles de carbone ou leurs mélanges. Ces charges permettent de conduire l'électricité et la chaleur, et permettent par conséquent d'améliorer la lubrification de la matrice polymère lorsqu'elle est chauffée.
[0038] Selon une autre variante, le polymère thermoplastique ou mélange de polymères thermoplastiques peut en outre comprendre des additifs, tels que des polymères à cristaux liquides ou du poly(butylène téréphtalate) cyclisé, ou des mélanges en contenant, comme la résine CBT100 commercialisée par la société CYCLICS CORPORATION. Ces additifs permettent notamment de fluidifier la matrice polymère à l'état fondu, pour une meilleure pénétration au cœur des fibres. Selon la nature du polymère, ou mélange de polymères thermoplastiques, utilisé pour réaliser la matrice d'imprégnation, notamment sa température de fusion, on choisira l'un ou l'autre de ces additifs. [0039] De manière avantageuse, le polymère thermoplastique ou mélange de polymères thermoplastique est sélectionné parmi des polymères amorphes dont la température de transition vitreuse est telle que Tg> 80°C et/ou parmi des polymères semi-cristallins dont la température de fusion Tf est > 150°C.
[0040] Plus particulièrement, les polymères thermoplastiques entrant dans la constitution de la matrice d'imprégnation du matériau fibreux, peuvent être choisis parmi :
- les polymères et copolymères de la famille des polyamides (PA), tels que le le polyamide haute densité, le polyamide 6 (PA-6), le polyamide 1 1 (PA-1 1 ), le polyamide 12 (PA-12), le polyamide 6.6 (PA-6.6), le polyamide 4.6 (PA-4.6), le polyamide 6.10 (PA-6.10), le polyamide 6.12 (PA-6.12), les polyamides aromatiques, éventuellement modifié par des unités urées, en particulier les polyphtalamides et l'aramide, et les copolymères blocs, notamment polyamide/polyéther,
- les polyurées, en particulier aromatiques,
- les polymères et copolymères de la famille des acryliques comme les polyacrylates, et plus particulièrement le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ou ses dérivés,
- les polymères et copolymères de la famille des polyaryléther cétones (PAEK) comme le poly(éther éther cétone) (PEEK), ou les polyaryléther cétones cétones (PAEKK) comme le poly(éther cétone cétone) (PEKK) ou leurs dérivés,
- les polyéther-imides (PEI) aromatiques,
- les polyarylsulfures, en particulier les polyphénylène sulfures (PPS),
- les polyarylsulfones , en particulier les polyphénylène sulfones (PPSU),
les polyoléfines, en particulier le polypropylène (PP);
- l'acide polylactique (PLA),
- l'alcool polyvinylique (PVA),
- les polymères fluorés, en particulier le poly(fluorure de vinylidène) (PVDF), ou le polytétrafluoroéthylène (PTFE) ou le polychlorotrifluoroéthylène (PCTFE),
- et leurs mélanges.
[0041 ] De préférence les polymères de constitution de la matrice sont choisis parmi les polymères thermoplastiques présentant une température de fusion Tf élevée, à savoir à partir de 150°C et plus, comme les Polyamides (PA), en particulier les polyamides aromatiques éventuellement modifiés par des motifs urées, et leur copolymères, le Polyméthacrylate de méthyle (PPMA) et ses copolymères, les Polyether imides (PEI), le Poly(sulfure de phénylène) (PPS), le Poly(sulfone de phénylène) (PPSU), le Polyethercétonecétone (PEKK), le Polyetherethercétone (PEEK), les polymères fluorés comme le poly(fluorure de vinylidène) (PVDF).
[0042] Pour les polymères fluorés, on peut utiliser un homopolymère du fluorure de vinylidène (VDF de formule CH2=CF2) ou un copolymère du VDF comprenant en poids au moins 50% en masse de VDF et au moins un autre monomère copolymérisable avec le VDF. La teneur en VDF doit être supérieure à 80% en masse, voire mieux 90% en masse, pour assurer une bonne résistance mécanique à la pièce de structure, surtout lorsqu'elle est soumise à des contraintes thermiques. Le comonomère peut être un monomère fluoré tel que par exemple le fluorure de vinyle.
[0043] Pour des pièces de structure devant résister à des températures élevées, outre les polymères fluorés, on utilise avantageusement selon l'invention les PAEK (PolyArylEtherKetone) tels que les polyéther cétones PEK, le poly(éther éther cétone) PEEK, le poly(éther cétone cétone) PEKK, le Poly(éther cétone éther cétone cétone) PEKEKK etc.
Matériau fibreux :
[0044] Concernant les fibres de constitution du matériau fibreux, ce sont notamment des fibres d'origine minérale, organique ou végétale. Parmi les fibres d'origine minérale, on peut citer les fibres de carbone, les fibres de verre, les fibres de basalte, les fibres de silice, ou les fibres de carbure de silicium par exemple. Parmi les fibres d'origine organique, on peut citer les fibres à base de polymère thermoplastique ou thermodurcissable, telles que des fibres de polyamides aromatiques, des fibres d'aramide ou des fibres en polyoléfines par exemple. De préférence, elles sont à base de polymère thermoplastique et présentent une température de transition vitreuse Tg supérieure à la Tg du polymère ou mélange de polymère thermoplastique de constitution de la matrice d'imprégnation lorsque ce- dernier est amorphe, ou une température de fusion Tf supérieure à la Tf du polymère ou mélange de polymère thermoplastique de constitution de la matrice d'imprégnation lorsque ce-dernier est semi-cristallin. Ainsi, il n'y a aucun risque de fusion pour les fibres organiques de constitution du matériau fibreux. Parmi les fibres d'origine végétale, on peut citer les fibres naturelles à base de lin, de chanvre, de soie notamment d'araignée, de sisal, et d'autres fibres cellulosiques, en particulier de viscose. Ces fibres d'origine végétale peuvent être utilisées pures, traitées ou bien enduites d'une couche d'enduction, en vue de faciliter l'adhérence et l'imprégnation de la matrice de polymère thermoplastique.
[0045] Ces fibres de constitution peuvent être utilisées seules ou en mélanges. Ainsi, des fibres organiques peuvent être mélangées aux fibres minérales pour être imprégnée de polymère thermoplastique et former le matériau fibreux pré-imprégné.
[0046] Les fibres sont au choix monobrin, multibrin ou un mélange des deux, et peuvent avoir plusieurs grammages. Elles peuvent en outre présenter plusieurs géométries. Ainsi, elles peuvent se présenter sous forme de fibres courtes, qui composent alors les feutres ou les non tissés pouvant se présenter sous la forme de bandes, nappes, tresses, mèches ou morceaux, ou sous forme de fibres continues, qui composent les tissus 2D, les fibres ou mèches de fibres unidirectionnelles (UD) ou non tissées. Les fibres de constitution du matériau fibreux peuvent en outre se présenter sous forme d'un mélange de ces fibres de renfort de différentes géométries. De préférence, les fibres sont continues.
[0047] De préférence le matériau fibreux est constitué par des fibres continues de carbone, de verre ou de carbure de silicium ou leur mélange, en particulier des fibres de carbone. Il est utilisé sous forme d'une mèche ou de plusieurs mèches.
[0048] Selon le ratio volumique de polymère par rapport au matériau fibreux, il est possible de réaliser des matériaux pré-imprégnés dits « prêts à l'emploi » ou des matériaux pré-imprégnés dits « secs ».
[0049] Dans les matériaux pré-imprégnés dits « prêts à l'emploi », le polymère ou mélange de polymères thermoplastiques d'imprégnation est réparti uniformément et de manière homogène autour des fibres. Dans ce type de matériau, le polymère thermoplastique d'imprégnation doit être réparti de manière la plus homogène possible au sein des fibres afin d'obtenir un minimum de porosités, c'est à dire de vides entre les fibres. En effet, la présence de porosités dans ce type de matériaux peut agir comme des points de concentrations de contraintes, lors d'une mise sous contrainte mécanique de traction par exemple, et qui forment alors des points d'initiation de rupture du matériau fibreux pré-imprégné et le fragilisent mécaniquement. Une répartition homogène du polymère ou mélange de polymères améliore donc la tenue mécanique et l'homogénéité du matériau composite formé à partir de ces matériaux fibreux pré-imprégnés.
[0050] Ainsi, dans le cas de matériaux pré-imprégnés dits « prêts à l'emploi », le taux en volume du polymère ou mélange de polymères thermoplastiques par rapport au matériau fibreux varie de 40 à 250%, de préférence de 45 à 125 %, et plus préférentiellement de 45 à 80%.
[0051 ] Les matériaux fibreux pré-imprégnés dits « secs », quant à eux, comprennent des porosités entre les fibres et une plus faible quantité de polymère thermoplastique d'imprégnation qui recouvre les fibres en surface pour les maintenir ensemble. Ces matériaux pré-imprégnés « secs » sont adaptés à la fabrication de préformes pour matériaux composites. Ces préformes peuvent ensuite être utilisées pour faire de l'infusion de résine thermoplastique ou de résine thermodurcissable par exemple. Les porosités permettent dans ce cas de faciliter le transport ultérieur de la résine polymère infusée, au sein du matériau fibreux pré-imprégné, afin d'améliorer les propriétés finales du matériau composite et notamment sa cohésion mécanique. Dans ce cas, la présence du polymère thermoplastique d'imprégnation sur le matériau fibreux pré-imprégné dit « sec » permet de rendre compatible la résine d'infusion.
[0052] Ainsi, dans le cas de matériaux pré-imprégnés dits « secs », le taux en volume du polymère ou du mélange de polymères par rapport au matériau fibreux varie avantageusement de 0,2 et 15 %, de préférence entre 0,2 et 10% et plus préférentiellement de 0,2 et 5%. Dans ce cas on parle de voile polymère, de faible grammage, déposé sur le matériau fibreux pour maintenir les fibres ensembles.
[0053] Le procédé de fabrication d'un matériau fibreux selon l'invention comprend avantageusement deux étapes : une première étape d'imprégnation du matériau fibreux par le polymère thermoplastique, puis une étape de mise en forme du matériau fibreux pré-imprégné sous forme d'un ou plusieurs rubans unidirectionnels dont la largeur et l'épaisseur sont calibrées.
Etape d'imprégnation :
[0054] Le procédé de fabrication et l'unité de mise en œuvre de ce procédé sont décrit ci-après, en regard de la Figure 1 qui schématise, de manière très simplifiée, les éléments constitutifs de cette unité 100. [0055] De manière avantageuse, l'étape d'imprégnation du matériau fibreux est réalisée par passage d'une ou plusieurs mèches dans un dispositif d'imprégnation en continu, comprenant une cuve 20 d'immersion contenant une dispersion aqueuse de de polymère(s) (par exemple poudre de polymère(s)) thermoplastique(s). Ladite dispersion a de préférence une taille moyenne de particules comprise entre 0,3 et 125 μηη.
[0056] Chaque mèche à imprégner est alors déroulée d'un dispositif 10 à dévidoirs 1 1 sous la traction engendrée par des cylindres (non représentés). De préférence, le dispositif 10 comprend une pluralité de dévidoirs 1 1 , chaque dévidoir permettant de dérouler une mèche à imprégner. Ainsi, il est possible d'imprégner plusieurs mèches de fibres simultanément. Chaque dévidoir 1 1 est pourvu d'un frein (non représenté) de manière à appliquer une tension sur chaque mèche de fibres. Dans ce cas, un module d'alignement 12 permet de disposer les mèches de fibres parallèlement les unes par rapport aux autres. De cette manière les mèches de fibres ne peuvent pas être en contact les unes avec les autres, ce qui permet d'éviter une dégradation mécanique des fibres notamment.
[0057] La mèche de fibres ou les mèches de fibres parallèles passent alors dans la cuve 20 d'immersion contenant la dispersion aqueuse de polymère. La poudre de polymère(s) est mélangée à l'eau pour former cette dispersion. La ou les mèches sont mises en circulation dans le bain formé par cette dispersion aqueuse 22. Le diamètre moyen des particules de polymère, y compris sous forme de dispersion de poudre, dans la dispersion aqueuse est de préférence inférieur à 125μηη, afin de pouvoir pénétrer la ou les mèches de fibres. De préférence, le diamètre des particules est compris entre 0,3μηη et 1 25 μιτι, de préférence entre 0,4 μιτι et Ι ΟΟμιτι. La ou les mèches pré-imprégnées ressortent ensuite de la cuve 20 et se dirigent vers un dispositif 25 de séchage afin d'évaporer l'eau. Ce dispositif de séchage 25, situé en sortie de la cuve 20 d'immersion, est avantageusement constitué par un dispositif de chauffage choisi parmi un dispositif à microondes ou par induction, en particulier lorsqu'il est couplé à la présence de charges carbonées, ou un système de chauffage infrarouge IR, ou par four à extraction de vapeur d'eau. De manière avantageuse, lorsque le polymère ou mélange de polymères comprend des charges carbonées, telles que du noir de carbone ou des nanocharges carbonées, de préférence choisies parmi des nanocharges carbonées, en particulier des graphènes et/ou des nanotubes de carbone et/ou des nanofibrilles de carbone ou leurs mélanges, l'effet de chauffage par induction ou par microondes est amplifié par la présence de ces charges qui conduisent alors la chaleur jusqu'au cœur du matériau.
[0058] De manière facultative, cette étape d'imprégnation peut être complétée par une étape de recouvrement de la mèche ou des mèches pré-imprégnées, juste en sortie de la cuve 20 d'imprégnation et du dispositif de séchage 25, et juste avant l'étape de mise en forme par calandrage. Pour cela, un dispositif de recouvrement 30, de préférence par extrusion en tête d'équerre permet de recouvrir la ou les mèches de fibres pré-imprégnées par un polymère thermoplastique fondu. Le polymère de recouvrement peut être identique ou différent de la poudre polymère en dispersion aqueuse. De préférence, il est de même nature. Un tel recouvrement permet de non seulement de compléter l'étape d'imprégnation des fibres pour obtenir un taux volumique final de polymère dans la gamme souhaitée, notamment pour l'obtention de matériaux fibreux dits « prêts à l'emploi » de bonne qualité, mais il permet en outre d'améliorer les performances du matériau composite obtenu.
Etape de mise en forme
[0059] Dès sa (leur) sortie du dispositif 25 de séchage, la mèche (les mèches parallèles) pré-imprégnée(s), éventuellement recouverte(s) d'un polymère fondu, est (sont) mise(s) en forme sous forme de ruban unique unidirectionnel ou d'une pluralité de rubans unidirectionnels parallèles, au moyen d'un dispositif de calandrage en continu comprenant une ou plusieurs calandres chauffantes.
[0060] Jusqu'à présent le calandrage à chaud ne pouvait pas être envisagé pour une étape de mise en forme mais seulement pour une étape de finition car il ne permettait pas de chauffer à des températures suffisantes, en particulier lorsque le polymère, ou mélange de polymères thermoplastiques, d'imprégnation comprend des polymères à haute température de fusion.
[0061 ] De manière avantageuse, les calandres chauffantes du dispositif de calandrage sont couplées à des moyens de chauffage rapide qui permettent de chauffer le matériau non seulement en surface mais également à cœur. La contrainte mécanique des calandres couplée à ces moyens de chauffage rapide, permet d'éliminer la présence de porosités et de répartir de manière homogène le polymère, notamment lorsque le matériau fibreux est un matériau dit « prêt à l'emploi ». [0062] De manière avantageuse ce calandrage à chaud permet non seulement de chauffer le polymère d'imprégnation pour qu'il pénètre, adhère et recouvre de manière uniforme les fibres, mais aussi de contrôler l'épaisseur et la largeur du ou des rubans de matériau fibreux pré-imprégné.
[0063] Pour pouvoir réaliser une pluralité de rubans parallèles unidirectionnels, c'est-à-dire autant de rubans que de mèches parallèles pré-imprégnées, passées dans le bain de dispersion aqueuse 22, les calandres chauffantes, référencées 51 , 52, 53 sur le schéma de la Figure 1 , comprennent avantageusement une pluralité de gorges de calandrage, en conformité avec le nombre de rubans. Ce nombre de gorges peut par exemple aller jusqu'à 200. Un système asservi SYST permet en outre de réguler la pression et/ou l'écartement E entre les rouleaux 71 , 75 de la calandre 70, de manière à contrôler l'épaisseur ep des rubans. Une telle calandre 70 est schématisée sur la Figure 2 décrite ci-dessous.
[0064] Le dispositif de calandrage comprend au moins une calandre chauffante 51 . De préférence, il comprend plusieurs calandres chauffantes 51 , 52, 53 montées en série. Le fait d'avoir plusieurs calandres en série permet de tasser les porosités dans le matériau et de diminuer leur taux. Cette pluralité de calandres est donc importante lorsque l'on souhaite réaliser des matériaux fibreux dits « prêts à l'emploi ». En revanche, pour fabriquer des matériaux fibreux dits « secs » on peut se contenter d'un nombre de calandres inférieur, voire d'une seule calandre.
[0065] De manière avantageuse, chaque calandre du dispositif de calandrage dispose d'un système de chauffage intégré par induction ou par microondes, de préférence par microondes,, afin de chauffer le polymère ou mélange de polymères thermoplastiques. De manière avantageuse, lorsque le polymère ou mélange de polymères comprend des charges carbonées, telles que du noir de carbone ou des nanocharges carbonées, de préférence choisies parmi des nanocharges carbonées, en particulier des graphènes et/ou des nanotubes de carbone et/ou des nanofibrilles de carbone ou leurs mélanges, l'effet de chauffage par induction ou par microondes est amplifié par la présence de ces charges qui conduisent alors la chaleur jusqu'au cœur du matériau.
[0066] De manière avantageuse, chaque calandre 51 , 52, 53 du dispositif est couplée à un dispositif de chauffage rapide 41 , 42, 43, situé avant et/ou après chaque calandre, afin de transmettre rapidement de l'énergie thermique au matériau et de parfaire l'imprégnation des fibres par ledit polymère fondu. Le dispositif de chauffage rapide peut par exemple être choisi parmi les dispositifs suivants : un dispositif microondes ou d'induction, un dispositif infrarouge IR ou laser ou un autre dispositif permettant un contact direct à la source de chaleur tel qu'un dispositif à flamme. Un dispositif microondes ou par induction est très avantageux, en particulier lorsqu'il est couplé à la présence de nanocharges carbonées dans le polymère ou mélange de polymères puisque les nanocharges carbonées amplifient l'effet de chauffage et le transmettent jusqu'au cœur du matériau.
[0067] Selon une variante de réalisation, il est en outre possible de combiner plusieurs de ces dispositifs de chauffage.
[0068] Le procédé peut en outre comprendre une étape de chauffage des mèches des fibres, avant ladite imprégnation avec, comme moyen de chauffage préféré, le chauffage par micro-ondes comme pour le système de chauffage de ladite calandre chauffante.
[0069] De manière facultative, une étape ultérieure consiste à bobiner le ou les rubans pré-imprégnés et mis en forme. Pour cela, l'unité 100 de mise en œuvre du procédé comprend un dispositif d'embobinage 60 comportant autant de bobines 61 que de rubans, une bobine 61 étant affectée à chaque ruban. Un répartiteur 62 est en général prévu pour dévier les rubans pré-imprégnés vers leurs bobines 61 respectives, tout en évitant que les rubans se touchent afin d'éviter toute dégradation.
[0070] La Figure 2 schématise le détail des gorges 73 d'une calandre 70 vue en coupe. Une calandre 70 comprend un rouleau supérieur 71 et un rouleau inférieur 75. Un des rouleaux, par exemple le rouleau supérieur 71 , comprend une partie crénelée 72, tandis que l'autre rouleau, c'est-à-dire le rouleau inférieur 75 dans l'exemple, comprend une partie rainurée 76, la forme des rainures étant complémentaire de la forme des parties en saillie 72 du rouleau supérieur. L'écartement E entre les rouleaux 71 , 75 et/ou la pression exercée par les deux rouleaux l'un contre l'autre, permet de définir les dimensions des gorges 73, et notamment leur épaisseur ep et largeur I. Chaque gorge 73 est prévue pour y loger une mèche de fibres qui est alors pressée et chauffée entre les rouleaux. Les mèches se transforment alors en rubans unidirectionnels parallèles dont l'épaisseur et la largeur sont calibrées par les gorges 73 des calandres. Chaque calandre comprend avantageusement une pluralité de gorges dont le nombre peut aller jusqu'à 200, de manière à réaliser autant de rubans qu'il y a de gorges et de mèches pré-imprégnées. Le dispositif de calandrage comprend en outre un dispositif central, référencé SYST sur la Figure 1 , piloté par un programme d'ordinateur prévu à cet effet, qui permet de réguler simultanément la pression et/ou l'écartement des rouleaux de calandrage de toutes les calandres 51 , 52, 53 de l'unité 100.
[0071 ] Le ou les ruban(s) unidirectionnel(s) ainsi fabriqué(s) présente(nt) une largeur et une épaisseur adaptées pour une dépose par robot dans la fabrication de pièces en trois dimensions, sans besoin de refendage. La largeur du ou des ruban(s) est avantageusement comprise entre 5 et 100mm, de préférence entre 5 et 50mm, et de manière encore plus préférée entre 5 et 10mm.
[0072] Le procédé de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné qui vient d'être décrit permet donc de réaliser des matériaux fibreux pré-imprégnés avec une grande productivité tout en permettant une imprégnation homogène des fibres et le contrôle et la reproductibilité de la porosité, et ainsi le contrôle et reproductibilité des performances de l'article composite final visé. L'imprégnation homogène autour des fibres et l'absence de porosités sont assurées par l'étape d'imprégnation, par immersion dans une dispersion aqueuse de polymère, couplée à l'utilisation d'un dispositif de mise en forme sous contrainte mécanique, lui-même couplé à des systèmes de chauffage rapide qui permettent de chauffer la matière en surface mais aussi à cœur. Les matériaux obtenus sont des produits semi-finis sous forme de rubans calibrés en épaisseur et en largeur et qui sont utilisés pour la fabrication de pièces de structure en trois dimensions, dans les secteurs des transports comme l'automobile, l'aéronautique, le nautique, ou le ferroviaire, des énergies renouvelables, en particulier éolienne, hydrolienne, les dispositifs de stockage d'énergie, les panneaux solaires ; des panneaux de protection thermique ; des sports et loisirs, de la santé et du médical ; des armes, de l'armement et de la balistique (pièces pour arme ou missile) ; de la sécurité, par un procédé pouvant être de la dépose de bandes assistée par une tête de robot par exemple, et connu sous le nom de procédé AFP (de l'acronyme anglais « Automatic Fiber Placement »).
[0073] Ce procédé permet donc de fabriquer en continu des rubans de dimensions calibrées et de grande longueur, si bien qu'il permet d'éviter des étapes de refendage et de raboutage coûteuses et préjudiciables à la qualité des pièces composites fabriquées ultérieurement. L'économie liée à la suppression de l'étape de refendage représente environ 30-40% du coût total de la production d'un ruban de matériau fibreux pré-imprégné.
[0074] L'association des dispositifs de chauffage rapide aux calandres chauffantes facilite la mise en forme des rubans aux dimensions souhaitées et permet d'augmenter de manière significative la cadence de production de ces rubans par rapport à des procédés conventionnels de mise en forme. De plus, cette association permet de densifier le matériau en supprimant totalement les porosités dans les matériaux fibreux dits « prêts à l'emploi ».
[0075] Les dispositifs de chauffage rapide permettent en outre l'utilisation de nombreux grades de polymères, même les plus visqueux, ce qui permet de couvrir toutes les gammes de résistance mécanique souhaitées.
[0076] Pour la fabrication spécifique de rubans de matériaux fibreux dits « secs », l'étape d'imprégnation, par immersion dans une dispersion aqueuse, permet d'obtenir un grammage de polymères réparti de manière homogène, avec un taux préférentiel de polymère déposé de l'ordre de 5 à 7 g/m.
[0077] Le procédé permet donc de réaliser des rubans calibrés de matériau fibreux pré-imprégné adaptés à la fabrication de pièces composites en trois dimensions, par dépose automatique desdits rubans au moyen d'un robot.
[0078]

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné comprenant un matériau fibreux en fibres continues et une matrice en polymère thermoplastique, caractérisé en ce que ledit matériau fibreux pré-imprégné est réalisé en une pluralité de rubans parallèles unidirectionnels et en ce que ledit procédé comprend les étapes suivantes :
i) une étape d'imprégnation dudit matériau fibreux se présentant sous forme de plusieurs mèches parallèles, ladite étape d'imprégnation comprenant :
ia) l'immersion dudit matériau fibreux dans un bain contenant une dispersion aqueuse (22) dudit polymère thermoplastique, ladite immersion étant suivie par
ib) un séchage (25) dudit matériau fibreux, puis
ii) une étape de mise en forme desdites mèches parallèles dudit matériau fibreux imprégné selon l'étape i), par calandrage au moyen d'au moins une calandre (51 , 52, 53) chauffante sous forme d'une pluralité de rubans parallèles unidirectionnels avec ladite calandre chauffante comportant une pluralité de gorges (73) de calandrage, de préférence jusqu'à 200 gorges de calandrage, en conformité avec le nombre desdits rubans et avec une pression et/ou un écartement entre les rouleaux de ladite calandre régulé par un système asservi.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape iii) de bobinage desdits rubans sur plusieurs bobines (61 ), le nombre de bobines étant identique au nombre de rubans, une bobine étant affectée à chaque ruban.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite étape d'imprégnation i) est complétée par une étape de recouvrement de ladite pluralité de mèches parallèles après les étapes d'immersion ia) et séchage ib), par un polymère thermoplastique fondu, pouvant être le même ou différent dudit polymère thermoplastique de ladite dispersion aqueuse, ladite étape de recouvrement étant réalisée avant ladite étape de calandrage ii), ledit polymère fondu étant de préférence de même nature que ledit polymère de ladite dispersion aqueuse, de préférence avec ledit recouvrement s'effectuant par extrusion (30) en tête d'équerre par rapport à ladite pluralité de mèches parallèles.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit polymère de ladite dispersion aqueuse est un polymère thermoplastique ou un mélange de polymères thermoplastiques.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit polymère thermoplastique ou mélange de polymères thermoplastiques comprend en outre des charges carbonées, en particulier du noir de carbone ou des nanocharges carbonées, de préférence choisies parmi des nanocharges carbonées, en particulier des graphènes et/ou des nanotubes de carbone et/ou des nanofibrilles de carbone ou leurs mélanges.
6. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le polymère thermoplastique ou mélange de polymères thermoplastiques comprend en outre des polymères à cristaux liquides ou du poly(butylène téréphtalate) cyclisé, ou des mélanges en contenant, comme additif.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit polymère, ou mélange de polymères thermoplastiques, est sélectionné parmi des polymères amorphes dont la température de transition vitreuse est telle que Tg> 80°C et/ou parmi des polymères semi-cristallins dont la température de fusion Tf est > 150°C.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le polymère thermoplastique ou mélange de polymères thermoplastiques est sélectionné parmi : les polyaryl éther cétones (PAEK), en particulier le poly(éther éther cétone) (PEEK) ; les polyaryl éther cétone cétone (PAEKK), en particulier le poly(éther cétone cétone) (PEKK) ; les polyéther-imides (PEI) aromatiques ; les polyaryl sulfones, en particulier les polyphénylène sulfones (PPSU) ; les polyarylsulfures, en particulier les polyphénylène sulfures (PPS) ; les polyamides (PA), en particulier polyamides aromatiques éventuellement modifiées par unités urées ; les polyacrylates en particulier le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ; ou les polymères fluorés en particulier le polyfluorure de vinylidène (PVDF) ; et leurs mélanges.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit matériau fibreux comprend des fibres continues sélectionnées parmi les fibres de carbone, de verre, de carbure de silicium, de basalte, de silice, les fibres naturelles en particulier de lin ou de chanvre, de sisal, de soie, ou cellulosiques en particulier de viscose, ou les fibres thermoplastiques de température de transition vitreuse Tg supérieure à la Tg dudit polymère ou dudit mélange de polymères lorsque ce-dernier est amorphe ou de température de fusion Tf supérieure à la Tf dudit polymère ou dudit mélange de polymères lorsque ce- dernier est semi-cristallin, ou un mélange de deux ou de plusieurs desdites fibres, de préférence un mélange de fibres de carbone, de verre ou de carbure de silicium, en particulier des fibres de carbone.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le taux en volume dudit polymère ou mélange de polymères par rapport audit matériau fibreux varie de 40 à 250% de préférence de 45 à 125 % et plus préférentiellement de 45 à 80%.
1 1 . Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le taux en volume dudit polymère ou dudit mélange de polymères par rapport audit matériau fibreux varie de 0,2 et 15 %, de préférence entre 0,2 et 10% et plus préférentiellement de 0,2 et 5%.
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 1 1 , caractérisé en ce que l'étape de calandrage ii) est réalisée au moyen d'une pluralité de calandres (51 , 52, 53) chauffantes.
13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ladite (lesdites) calandre(s) chauffante(s) de l'étape ii) comprend (comprennent) un système de chauffage intégré par induction ou par microondes, de préférence par microondes, couplé à la présence de charges carbonées dans ledit polymère thermoplastique ou mélange de polymères thermoplastiques.
14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que ladite (lesdites) calandre(s) chauffante(s) de l'étape ii) est (sont) couplée(s) à un dispositif de chauffage complémentaire rapide (41 , 42, 43), situé avant et/ou après ladite (chaque) calandre (51 , 52, 53), en particulier un dispositif de chauffage par microondes ou induction couplé à la présence de charges carbonées dans ledit polymère ou dans ledit mélange de polymères, ou un dispositif de chauffage infrarouge IR, ou Laser ou par contact direct avec une autre source de chaleur comme une flamme.
15. Ruban unidirectionnel de matériau fibreux pré-imprégné, en particulier ruban enroulé sur bobine, caractérisé en ce qu'il est obtenu par un procédé tel que défini selon l'une des revendications 1 à 14.
16. Ruban selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il a une largeur et une épaisseur adaptées pour une dépose par robot dans la fabrication de pièces en trois dimensions, sans besoin de refendage, et de préférence a une largeur d'au moins 5 mm et pouvant aller jusqu'à 100mm, de préférence de 5 à 50 mm et de manière encore plus préférée de 5 à 10mm.
17. Utilisation du procédé tel que défini selon l'une des revendications 1 à 14, pour la fabrication de rubans calibrés adaptés à la fabrication de pièces composites en trois dimensions par dépose automatique desdits rubans au moyen d'un robot.
18. Utilisation du ruban de matériau fibreux pré-imprégné, tel que défini selon la revendication 15 ou 16, dans la fabrication de pièces composites en trois dimensions.
19. Utilisation selon la revendication 18, caractérisée en ce que ladite fabrication desdites pièces composites concerne les domaines des transports, en particulier automobile, aéronautique civile ou militaire, nautique, ferroviaire ; des énergies renouvelables, en particulier éolienne, hydrolienne, les dispositifs de stockage d'énergie, les panneaux solaires ; des panneaux de protection thermique ; des sports et loisirs, de la santé et du médical, de la balistique avec pièces pour arme ou missile, de la sécurité et de l'électronique.
20. Pièce composite en trois dimensions, caractérisée en ce qu'elle résulte de l'utilisation d'au moins un ruban unidirectionnel de matériau fibreux préimprégné tel que défini selon la revendication 15 ou 16.
21 . Unité (100) de mise en œuvre du procédé tel que défini selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'elle comprend :
a) un dispositif d'imprégnation en continu comprenant
a1 ) une cuve (20) d'immersion comprenant ladite dispersion aqueuse (22) dudit polymère, et
a2) un dispositif de séchage (25) de ladite pluralité de mèches parallèles,
b) un dispositif de calandrage en continu desdites mèches parallèles, avec mise en forme, sous forme de plusieurs rubans parallèles unidirectionnels, comprenant :
b1 ) au moins une calandre chauffante (51 , 52, 53), en particulier plusieurs calandres chauffantes en série, ladite calandre portant plusieurs gorges (73) de calandrage, et de préférence ayant jusqu'à 200 gorges de calandrage,
b2) un système de régulation de la pression et/ou de l'écartement entre rouleaux (71 , 75) de calandrage.
22. Unité selon la revendication 21 , caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un dispositif (60) d'embobinage des rubans de matériau fibreux pré-imprégné, comportant un nombre de bobines (61 ) identique au nombre de rubans, une bobine étant affectée à chaque ruban.
23. Unité selon la revendication 21 ou 22, caractérisée en ce que ledit dispositif d'imprégnation a) comprend en plus et à la suite dudit dispositif de cuve (20) d'immersion a1 ), et dudit dispositif de séchage (25) a2), un dispositif a3) de recouvrement de ladite pluralité de mèches parallèles imprégnées et séchées, par un polymère fondu, de préférence ledit dispositif de recouvrement a3) comprenant un dispositif (30) d'extrusion en tête d'équerre par rapport auxdites mèches parallèles.
24. Unité selon l'une des revendications 21 à 23, caractérisée en ce que ladite (lesdites) calandre(s) chauffante(s) (51 , 52, 53) comprend (comprennent) un système de chauffage intégré par induction.
25. Unité selon l'une des revendications 21 à 24, caractérisée en ce que ladite (lesdites) calandre(s) chauffante(s) (51 , 52, 53) est (sont) couplée(s) à un dispositif complémentaire de chauffage rapide (41 , 42, 43), situé avant et/ou après ladite (chaque) calandre, ledit système de chauffage étant choisi parmi un dispositif à microondes ou d'induction en particulier lorsqu'il est couplé à la présence de charges carbonées, ou un système de chauffage IR, Laser ou un autre dispositif permettant un contact direct à la source de chaleur, tel qu'un dispositif à flamme.
26. Unité selon l'une des revendications 21 à 25, caractérisée en ce que ledit dispositif de séchage (25), situé en sortie de ladite cuve d'immersion (20), est un dispositif de chauffage choisi parmi un dispositif à microondes ou par induction, en particulier lorsqu'il est couplé à la présence de charges carbonées, ou un système de chauffage infrarouge IR, ou par four à extraction de vapeur d'eau.
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